Высоко-омные тестовые референсы для электрометров

Приветствую дорогие читатели, drinks сегодня очередная мини-статейка на тему высоких измерительных технологий. Мы с вами попробуем создать простые коробки для резисторов с целью экспресс тестирования электрометров Keysight B2985A/B2987A. Описанные ниже методики подходят и к другой измерительной технике, но с учетом своих нюансов. По этому, для понимания общих принципов ознакомьтесь с моей, и адаптируйте ее под себя.

 

Часто все проблемы измерения кроются внутри измерительного бокса входящего в состав комплекса по измерению малых токов и высоких сопротивлений. По этому важно иметь возможность быстро проверить так-ли это, и отсечь возможные ошибки конфигурации электрометра и возможные проблемы его кабелей.

Самый простой способ это сделать — подключить к электрометру «референсное» заведомо известное сопротивление. Тогда согласно закону Ома, зная сопротивление и управляя приложенным к нему напряжением, мы можем получать определенный нужный нам ток. Этот метод не представляет никаких проблем, когда речь идет о токах более 1 мкА, но при меньших токах, с которыми обычно и работают электрометры это вызывает ряд проблем:

  • Поверхность резистора должна быть всегда чистой, чтобы исключить утечку по поверхности и электрохимическую генерацию тока.
  • Резистор и вход амперметра должны быть полностью экранированы, чтобы свести к минимуму влияние посторонних электромагнитных помех и полей.
  • Подключение должно быть выполнено теми-же типами разъемов что и измерительный бокс, чтобы в точности повторить условия. Обычно это Triaxial  для входа амперметра и Banana jack 4mm для подведения высокого потенциала.
  • Высоковольтный ввод должен быть защищен от случайного касания.

Такие устройства есть, тому пример Keysight N1422A, cool там установлено сопротивление 100 ГОм:

Если-бы не его цена под 500$, то возможно-бы этого материала не было, но Кейсайты не умеют делать ничего дешевого, по сему продолжим материал….

Одна из типичных схем измерения сопротивлений выглядит так, ее мы и повторим:

Но номинал N1422A несколько не удобен для проверки работоспособности приборов серии B2980. Оптимальным в данном случае мне видится набор из двух сопротивлений 1 ТОм и 5 ГОм. Поскольку они лучше подходят к низкотоковым  диапазонам моего прибора:

  • Приложенное напряжение 1000В к 5 ГОм = ток ~200 нА.
  • Приложенное напряжение 100В к 5 ГОм = ток ~20 нА.
  • Приложенное напряжение 10В к 5 ГОм = ток ~2 нА.
  • Приложенное напряжение 200В к 1 ТОм = ток ~200 пА.
  • Приложенное напряжение 20В к 1 ТОм = ток ~20 пА.
  • Приложенное напряжение 2В к 1 ТОм = ток ~2 пА.

В результате покрываются все диапазоны прибора от 200 нА до 2 пА. beach

Хорошо-бы еще найти резистор ТераОм эдак на 100-500 для третьего бокса, но к сожалению их найти не удалось. Видимо мои желания лежат за пределами технических возможностей изготовителей. blush

Для этих задач мне показались очень подходящими резисторы Ohmite серий Mini-Mox, эта  серия не только высокоомна, но еще и достаточно высоковольтна для беспроблемной эксплуатации на напряжениях до +-1000В. К сожалению у меня были лишние резисторы только Mini-Mox MOX112523100AK на 1 ТОм. А на 5 ГОм пришлось использовать SMD-серию HVF потому-что от моих разных проектов остались только SMD резисторы HVF2512T5007FE и им пришлось отрастить ноги. laugh

Помимо них, нам потребуются:

  • Banana jack разъемы Pomona 72913.
  • Triaxial разъемы Molex 73175-0010.
  • Боксы 50*25*25mm c Али, вот эти.
  • Хорошо-бы закупить еще и заглушки Keysight N1417A, но на худой конец могут подойти и силиконовые чехлы для классических BNC разъемов. Можно попробовать колпачки RFI75-1, должны подойти.

После непродолжительного сеанса наппилинга получаем вот такие конструкции:

Я старался выбрать корпуса как можно меньше, это мой пунктик, но тут естественно ограничения нет.

При сборке будьте предельно внимательны, в моментах:

  • Не трогайте руками резисторы.
  • Проверьте наличие значительных зазоров между выводами резистора, его корпусом и корпусом коробки, во избежании пробоя.
  • Ни в коем случае не касайтесь триаксиального разъема голыми руками.
  • Работайте только в перчатках очищенных метанолом.
  • Помните метанол (CH3OH) — опасный яд!
  • Не используйте флюс, или используйте его настолько мало, чтобы он не попал на изоляторы, и обязательно смойте его метанолом.
  • После пайки обработайте резисторы метанолом очень высокой степени чистоты и просушите сборки с открытой крышкой в печи при 60-80 градусах 6-8 часов. А после сушки сразу закройте бокс, во избежании попадания пыли.
  • Торцы боксов зачистите от краски, чтобы после сборки они создали единый замкнутый контур.
  • Предусмотрите демпфирующие изгибы выводов резисторов, чтобы при подключении кабелей к боксу, резисторы испытывали минимальный механический стресс.
  • При пайке проконтролируйте чтобы выводы резисторов не натягивали и не сжимали резисторы.

Если Вам кажется что эти требования излишне, то поверьте мне на слово, это не так! focus Это всего-лишь минимальный набор требований, призванный обеспечить хотя-бы минимальную степень чистоты конструкции.

После 2-4 недель выдержки боксов в нормальных условиях, когда влажность в них сравняется с внешней, можно провести образцовые замеры сопротивления. Не удивляйтесь, что при разном приложенном напряжении сопротивление будет разное, это связанно с не нулевым коэффициентом VCR, о чем честно сообщают даташиты. rtfm

Нормальной практикой точного измерения является следующая последовательность:

  1. Прогрейте электромер на протяжении 2-х часов с отключенным входом.
  2. Произведите автокалибровку в соответствии с документацией. (я этот пункт выполняю раз в месяц-два)
  3. Выдержите прибор еще 10 минут с отключенным входом, с фильтром Moving average 20 и NPLC равным 100.
  4. Сбросьте смещение нуля «ZC» (Zero Correction). Это позволит скомпенсировать смещение внутренних цепей прибора. Если электрометр перед этим не прогрет достаточно длительное время, ноль может уплыть во время замера.
  5. Подключите измеряемый референс.
  6. Включите вход амперметра и подачу напряжения в цепь.
  7. Сбросьте ошибку нуля вносимую блоком питания, при установленном напряжении 0В.
  8. Выставите необходимые напряжения и произведите измерение с необходимым набором фильтров, я обычно применяю Median 0, Moving average 20 для таких коробочек.
  9. Контролируйте угол наклона тренда тока на графике и его историю. Когда в интервале 100 секунд вы увидите четкие признаки стабилизации — эффекты диэлектрической абсорбции снизились до предельно малых значений. Обычно на моих боксах это достигается на 30-60 секунд, не более, но я еще дополнительно жду, чтобы ошибочные измерения вышли из массива данным Moving Average фильтра.
  10. Проверьте наличие тока с отключенным высоковольтным проводом, если он фиксируется, у вас скорее всего загрязнен триаксиал, в результате чего грязь на изоляторе генерирует электрохимический ток, и требуется его очистка.

После измерения составьте таблицу на которую вы в дальнейшем будите ориентироваться при проверке. mail В дальнейшем, полагаться на нее на 100% не стоит, поскольку представленная конструкция далека от эталонной, но как точки для  экспресс-теста данная табличка будет очень полезной.

При хранении референсных боксов, всегда сразу после отключения кабеля, надевайте на триаксиальные разъемы заглушки, чтобы избежать их загрязнения пылью и руками. Загрязнение легче предотвратить чем убрать! rtfm

Некоторые из читателей наверняка задумаются на тему влияния влажности. Мои опыты демонстрируют, что на ТераОмные Mini-Mox резисторы влажность при нормальных ее значениях почти не влияет. Примерно за неделю до написания данного материала я замерял один из моих Mini-Mox’в в диапазоне от 20 до 50%RH, влияние влажности прослеживается слабо, есть только едва заметное изменение сопротивления на сотню с небольшим PPM, что можно смело списать на ошибку измерения. Для сравнения, VCR коэффициент резисторов влияет на измерение куда больше.  Но сухой бокс на 0% влажности и на высоких ее уровнях ведет себя плохо. Так-что если влажность в нормальных приделах, ей смело можно пренебречь. К тому-же задачи сделать эталон — не стоит….. пока не стоит…. но на эту тему я активно думаю… crazy

 

Высоко-омные тестовые референсы для электрометров: 2 комментария

Добавить комментарий